【正文】 動態(tài)顯示，使一級倒立擺系統(tǒng)的運動過程更為直觀。(二) VI設計(1) 程序流程圖圖425 倒立擺系統(tǒng)實時仿真的程序流程圖倒立擺系統(tǒng)的實時仿真部分程序流程圖如圖425所示。程序開始時，通過上一小節(jié)的“”獲得閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)，同時給出輸入量的值和初始狀態(tài)的值。由“仿真/暫?！辈紶柊粹o控制程序執(zhí)行，值為“T”時將閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)、輸入量和初始狀態(tài)作為“龍格庫塔法”函數(shù)的輸入，“龍格庫塔法”函數(shù)輸出狀態(tài)變量的值，由此計算出控制量，同時對倒立擺系統(tǒng)的狀態(tài)實時顯示；值為“F”時不執(zhí)行相關操作。如果不按下“停止”按鈕，將重復上述過程，但程序每完成一次循環(huán)，求解出的狀態(tài)變量值將作為新的初始狀態(tài)，為下一次求解做準備。(2) 子VI的選擇本程序中主要用到了“”，該VI通過龍格庫塔方法求解帶初始條件的常微分方程?！啊钡膱D標與端子如圖426所示。圖426 “”的連線板各端子的含義見表410：表410 “” 各端子含義[5]端子含義X變量字符串數(shù)組。起始時間常微分方程(ODE)的開始點。默認值為0。結束時間待測時間區(qū)間的結束點。h固定的步長。X0描述開始條件的向量，x[10], …, x[n0]。 X0和X的分量一一對應。時間（輸入）時間變量的字符串表示。默認的變量為t。F(X,t)該一維數(shù)組用于表示微分方程的右端項。公式可以包含任意數(shù)量的有效變量。時間（輸出）用于表示時間步長的數(shù)組。Runge Kutta方法在開始時間和結束時間之間可以產(chǎn)生等距的時間步長。X值解向量x[10], …, x[n]組成的二維數(shù)組。 頂層索引是時間數(shù)組中指定的時間步長，底層索引是元素x[10], …, x[n]。計時用于整個計算的時間，以毫秒為單位。錯誤返回VI的任意錯誤或警告。使用錯誤的X、X0和F(X,t)輸入將導致錯誤。如將錯誤連線至錯誤代碼至錯誤簇轉(zhuǎn)換VI，錯誤代碼或警告可轉(zhuǎn)換為錯誤簇。(3) 程序設計整個程序構成順序結構。“”獲取閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)；在微分方程數(shù)值求解部分采用循環(huán)結構實現(xiàn)不斷求解，利用移位寄存器將狀態(tài)變量值保存為新的初始狀態(tài)；實時顯示部分采用“圖片函數(shù)VI”選板中繪制直線與繪制矩形的VI，將導軌、小車、擺桿實時繪制出來；計算控制量時仍采用MathScript節(jié)點實現(xiàn)。按照程序流程圖，通過以上的步驟，可完成一級倒立擺實時仿真部分VI的設計，其前面板及程序框圖如圖427所示：圖427 “”的前面板和框圖 動態(tài)調(diào)用VI的設計 VI的動態(tài)調(diào)用本章的前四小節(jié)已經(jīng)完成了系統(tǒng)各個子模塊的設計，這也是本課題所研究的主體。本小節(jié)所設計的VI將實現(xiàn)這些程序的動態(tài)調(diào)用，最終達到在一個VI里面調(diào)用各子模塊的程序，將各個模塊集成在一起，成為一個綜合的實驗教學系統(tǒng)。通常用戶調(diào)用子VI時，都是直接將子VI圖標放置在主VI程序框圖中。在打開主VI的同時就會將子VI載入內(nèi)存。編譯時子VI的代碼將會和主VI的代碼連接，運行時子VI的內(nèi)容是不可改變的。這可以加快子VI的調(diào)用速度，但是會占用更多的內(nèi)存。通過動態(tài)載入VI，只有在VI需要運行時才從磁盤載入內(nèi)存，這樣可以減少內(nèi)存的使用[4]。VI的動態(tài)調(diào)用既可以采用多面板方式，也可以采用動態(tài)載入界面方式。多面板方式是在調(diào)用子VI時，彈出相應的前面板；動態(tài)載入界面方式是將調(diào)用的子VI前面板插入到主VI的前面板中。相比之下，后一種方式在程序運行時，界面更為簡潔一些。這里采用動態(tài)載入界面方式。 VI設計(1) 子VI的選擇本程序中用到的子VI及其功能如表411所示：表411 動態(tài)調(diào)用程序中用到的VI序號名稱功能1返回當前VI訪問的文件路徑2在現(xiàn)有路徑后添加名稱（或相對路徑），創(chuàng)建新路徑3返回由VI在磁盤上的名稱字符串或路徑指定的某個VI、自定義控件或全局變量的引用。(2) 程序設計在LabVIEW中，通過Subpanel可實現(xiàn)動態(tài)載入界面。Subpanel位于Controls Palette的Modern|Containers|Subpanel，它的功能就是在一個VI的前面板中包含其他VI的前面板，在程序框圖中并不會出現(xiàn)它的圖標，而是會出現(xiàn)一個對應的方法節(jié)點——Insert VI，通過該方法節(jié)點就可以將其他VI的前面板插入該Subpanel中。任何時候都可以利用該方法節(jié)點插入不同的VI界面。在插入VI之前，必須利用VI的Run VI方法節(jié)點運行該VI。利用Subpanel實現(xiàn)動態(tài)載入界面，載入子VI時既可通過按鈕實現(xiàn)，也可通過菜單或下拉列表實現(xiàn)，在本程序中利用按鈕方式。采用標簽為3……10的10個布爾按鈕，分別用于調(diào)用本章前四小節(jié)所設計出的10個VI程序，這些布爾按鈕的文本分別與調(diào)用的VI名稱相一致，具體可見前面板的截圖。將10個子VI放在同一個文件夾里，并把動態(tài)調(diào)用VI也保存在該文件夾里；在程序框圖中通過布爾按鈕的屬性節(jié)點“”獲得布爾按鈕的文本，再配合“”、“”和“”獲取子VI的路徑；然后利用VI的Run VI方法節(jié)點運行該子VI，將“引用輸出”連接至Subpanel方法節(jié)點的“VI Ref”，即可在Subpanel中顯示調(diào)用的VI的前面板。程序框圖中主要采用了一個事件結構，該事件結構的觸發(fā)條件來源于用戶單擊前面板上10個按鈕中的任何一個；譬如當用戶單擊標簽為1的按鈕時，程序?qū)⒄{(diào)用對應的“”，并在Subpanel中顯示其前面板，用戶可進行相關操作。最終設計出的程序前面板及框圖如圖428所示圖428 “”的前面板和框圖5 發(fā)布應用程序編寫好應用程序后，用戶并不希望程序只能在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中運行。一方面是由于LabVIEW開發(fā)環(huán)境比較昂貴；另一方面LabVIEW開發(fā)環(huán)境的安裝與運行都是非常耗費時間和計算機資源的；此外用戶也不希望將一批VI文件發(fā)布給最終用戶。因此，應該向最終用戶發(fā)布獨立的安裝包或可執(zhí)行文件。在LabVIEW中生成可執(zhí)行文件或安裝包是比較簡單的，因為NI提供了一個友好的LabVIEW應用程序生成工具，即LabVIEW Application Builder。該工具不僅能夠生成可執(zhí)行文件和安裝包，還能夠生成動態(tài)鏈接庫（DLL）、發(fā)布源代碼或ZIP文件。獨立可執(zhí)行應用程序（EXE）即常見的EXE文件，最終用戶無法查看或更改程序代碼。但是該EXE文件需要在LabVIEW RunTime引擎上才能運行，該引擎可以由安裝程序發(fā)布。生成獨立可執(zhí)行應用程序的具體過程如下：（1）建立一個Project（項目），命名為“”，把本課題中設計的所有VI（共11個）添加到該項目中，相關的文件將被自動添加到“文件”一欄中。如圖51所示：圖51 建立項目（2）在項目瀏覽器中右擊“程序生成規(guī)范”，選擇“新建|應用程序（EXE）”選項，在彈出的對話框中輸入EXE文件名稱和路徑等信息，如圖52所示：圖52 設置應用程序信息（3）在左邊“類別”欄中選擇“源文件”一項，即“”添加到“啟動VI”欄中，~“始終包括”欄中，如圖53所示：圖53 設置源文件（4）對左邊“類別”欄中其他各項作相關設置，這里均采用默認設置。然后在“預覽”一項中選擇“生成預覽”，如圖54所示。圖54 預覽生成結果（5）預覽成功后，點擊“生成”按鈕，即可完成獨立可執(zhí)行應用程序的生成。安裝程序（Installer）即常見的Setup文件。生成獨立可執(zhí)行文件后，可以將可執(zhí)行文件和相關支持軟件（如LabVIEW RunTime引擎、儀器驅(qū)動等）打包在一起作為一個安裝程序發(fā)布，這樣就可避免讓用戶再麻煩地單獨安裝LabVIEW RunTime引擎或硬件驅(qū)動。生成安裝程序的具體過程如下：（1）在項目瀏覽器中右擊“程序生成規(guī)范”，選擇“新建|安裝程序”選項，彈出如圖55所示的對話框，在該對話框中輸入安裝程序的相關信息。圖55 配置安裝程序信息（2）在左邊“類別”欄中選擇“源文件”一項，在這里設置安裝程序?qū)惭b哪些文件。由于只需要安裝可執(zhí)行文件，所以將“項目視圖”欄中的“控制系統(tǒng)仿真”添加到目標視圖的相應目錄下，如圖56所示，表示把可執(zhí)行文件安裝在指定目錄下的“控制系統(tǒng)仿真”文件夾中。圖56 配置將被安裝的文件（3）在左邊“類別”欄中選擇“附加安裝程序”一項，如圖57所示。在這里可以選擇哪些附加軟件也將被安裝。其中“LabVIEW運行引擎2009”是執(zhí)行可執(zhí)行程序所必需的，必須選擇該附加軟件。其他附加軟件可根據(jù)需要選擇，這里不再選擇其他軟件。圖57 配置附加安裝軟件（4）對左邊“類別”欄中其他各項做相關設置，這里均采用默認設置。然后點擊“生成”按鈕，即可完成安裝程序的生成。完成后打開安裝程序的目標文件夾。，可以看到一個標準的程序安裝界面，如圖58所示。圖58 安裝程序運行界面6 總結和展望 總結本課題對控制系統(tǒng)仿真的意義與研究現(xiàn)狀作了較為詳細的介紹，在此基礎上提出并確定了基于LabVIEW的控制系統(tǒng)仿真的具體實施方案。結合控制理論教學與實驗的實際需要，選取了控制理論中常見的、典型的實例。應用NI公司的LabVIEW200LabVIEW控制設計工具包作為軟件開發(fā)工具，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的建模、分析與設計這一系列過程的計算機仿真，最終開發(fā)出了一種交互式實驗教學系統(tǒng)并實現(xiàn)了應用程序發(fā)布。到目前為止，本系統(tǒng)已經(jīng)基本開發(fā)完畢，研究的現(xiàn)狀如下：(1) 開發(fā)出了一個功能比較完善的交互式實驗教學系統(tǒng)，各個子模塊功能均已實現(xiàn)且運行良好。(2) 生成了獨立可執(zhí)行文件和安裝包，完成了應用程序的發(fā)布。用戶可以在安裝Windows2000或更高版本的計算機上實現(xiàn)“控制系統(tǒng)仿真”系統(tǒng)的安裝與使用。(3) 在“控制系統(tǒng)仿真”這一實驗教學系統(tǒng)中，用戶可進行信號發(fā)生器、典型環(huán)節(jié)、質(zhì)點－彈簧－阻尼器系統(tǒng)和一級倒立擺系統(tǒng)的相關虛擬實驗。每進行一步操作，都可以立即觀察到其仿真結果，虛擬實驗過程直觀形象。該實驗教學系統(tǒng)具有涵蓋面廣、操作簡單、界面友好和實時交互的特點。(4) 系統(tǒng)具有較強的開放性和靈活性，在今后的實際使用中可以根據(jù)情況不斷增加新的功能，以滿足控制理論教學和實驗的需要。 展望盡管已經(jīng)基本完成了本課題最初的規(guī)劃，本設計仍存在一些不足之處，需要繼續(xù)地改進和完善。對后續(xù)工作的展望如下：(1) 開發(fā)出的實驗教學系統(tǒng)中有的人機界面比較粗糙，還有待于美化；同時一些界面的功能有待于完善，部分VI程序還可以優(yōu)化。(2) 所做的設計覆蓋了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的大部分內(nèi)容，但不是面面俱到?？梢愿鶕?jù)實際需要再選擇控制理論的相關實例，開發(fā)出對應的子模塊，不斷完善和更新本系統(tǒng)。(3) 本課題所做設計為軟件設計，沒有采用數(shù)據(jù)采集卡、控制系統(tǒng)硬件等，沒有涉及儀器控制方面，因而也無法完成控制系統(tǒng)的硬件仿真。這是尚需進一步完善和擴充的地方。(4) 在本設計的基礎上，可以結合網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術進一步開發(fā)出控制系統(tǒng)網(wǎng)絡虛擬實驗室，實現(xiàn)遠程控制、軟件資源與硬件資源共享、數(shù)據(jù)共享等。這樣不僅可以節(jié)省大量儀器設備的經(jīng)費投入，而且將為控制理論教學提供一種全新的現(xiàn)代化教學模式。參考文獻[1] 侯國屏，王珅，葉齊鑫．LabVIEW [M]．北京：清華大學出版社，2005[2] 黃松嶺，吳靜 編著．虛擬儀器設計基礎教程[M]．北京：清華大學出版社，2008[3] 張桐，陳國順，王正林 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